一种基于OV7725的低光照虹膜采集装置

裴成龙，杨 亮，付倜傥

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，沈阳 110870）

0 引言

中国古代医学家早在一千年前就发现了眼与肺腑间的相互关系，提出五轮八廓学说，现存医籍中以宋代《太平圣惠方》的记载为最早[1]。经过多年医学发展与研究，虹膜诊断已成为医学上的一个临床技术。专用于医疗诊断的虹膜成像装置——虹膜检测仪，从出现到现在经过近150年的发展，目前已具备了良好的性能，应用人群日益广泛。但多数虹膜仪存在着光源强度过大伤害人眼，而如果降低光照强度又会造成图像模糊的问题。如图1所示，可看出强光照射下图像效果更好，如图1a），但此时光源对人眼具有刺激性。若如图1b）所示的减弱光强，则能避免刺激人眼，但图像效果差。而本文介绍了一种解决此问题的方法。

图1 不同光强下的虹膜图Fig.1 IRIS under different light intensities

1 设计方案

本装置由照明系统、图像传感器系统、USB接口芯片传输系统和计算机四部分组成，如图2所示。光学系统包括照明装置（光源、遮挡装置）与光学镜头，用于采集用户的虹膜图像、固定使用者拍摄位置[2]。图像传感器对光学系统采集到的图像信息进行数字化和一些特殊效果的处理，之后传送数据到USB接口芯片。USB2.0接口芯片对数据进行格式转换，并快速上传至计算机主机端进行显示、存储等操作。PC机对数据的采集和传输进行控制，显示并存储图像、进行图像处理、光源控制等。

图2 虹膜图像的采集图Fig.2 The iris image capture

对于光源强度过大，会刺激人眼以及形成光斑的问题，通过降低光照系统的光照强度，同时通过设置图像传感器系统采取手动曝光来实现虹膜采集，得到较好的图像质量。OV7725图像传感器内部带有一个16位AEC寄存器，用户可以根据不同的光照条件来设置图像传感器的曝光值，从而使图像曝光时间得到调整。

2 整体硬件电路结构设计

本设计需要在光照较弱的条件下工作，因此要求图像传感器在弱光环境中也能提供卓越的性能[3]。经选择比较后采用OmniVision公司1/4英寸CMOS传感器OV7725，可输出30 fps的VGA格式图像，且具有低光照下灵敏度高的优点。将OV7725设置为每个PCLK的上升沿输出一个像素点。每当检测到FIFO时钟接口IFCLK信号的上升沿时图像传感器就将一个8位数据写入USB端口FIFO缓冲区中，达到图像传感器与USB控制器同步传输的效果[4]。

硬件电路如图3所示，图像传感器输出8位图像数据，以并行的方式送入USB接口芯片。图像数据经处理后通过USB总线上传至计算机主机端，进行格式转换、显示、拍照和存储等操作。IIC总线用于配置传感器的寄存器。整个装置由USB总线提供5 V电压源，由电源模块转换为3.3 V和1.8 V为传感器、接口芯片和光源供电。接口芯片内部无程序存储器，掉电后数据会丢失，需要外部程序存储器装载固件程序。

图3 虹膜采集装置硬件电路图Fig.3 The IRIS acquisition device hardware circuit diagrams

3 软件系统设计及实现流程

软件系统程序主要分为单片机内部控制处理程序和PC端程序两部分。单片机内部程序指USB接口芯片CY7C68013A的片内程序。固件程序主要实现以下3方面功能：对USB端口和FIFO进行初始化配置；完成对图像传感器的编程配置；其他自定义功能的设定。主要包括：初始化子程序，中断处理子程序，USB 固件子程序等。

PC端程序包括USB驱动程序与主机应用程序。USB驱动程序使操作系统能够识别和控制USB设备，为软件系统和硬件设备搭建相互连接的接口，主机和外部设备之间的通讯也是由驱动程序完成的。主机应用程序主要任务是通过USB接口读取图像数据、实现实时显示动态图像、截取帧图像等功能。和外部设备之间的通讯也是由驱动程序完成的。整个系统程序流程图如图4所示。

图4 程序流程图Fig.4 Flow chart

4 测试结果分析

由于虹膜采集装置都必须有光源部分来给整个眼球照明，来使得图像传感器采集到比较明亮的虹膜图片。但是过亮的光照会使人感觉到刺眼，特别是当光照在人的瞳孔上时，长时间的照射会使人眼难受，眼球会有发酸刺眼的感觉。本实验尝试降低发光二级光光照强度，使光照不刺眼，同时为了保证图片质量，通过对图像传感器的手动曝光设置来增加曝光时间，使图像在较暗条件上仍然能够得到明亮的图片。实验结果如图5所示。

图5 在81.8Lux光照强度下采集的虹膜图像对比Fig.5 81.8Lux IRIS images captured under illumination intensity contrast

通过实验发现，在限流电阻为2 k，光强为81.8 Lux时，自动曝光已经开始变得模糊和发黄，而通过手动曝光来改变曝光时，当曝光寄存器设为0x8fff时，图片比较清晰，比自动曝光有所改善，而设置值过大时会出现曝光过度，图片出现亮斑，而设置值过小时，曝光时间不够，图片偏暗。所以，通过设定手动曝光时间可以改善光照强度变小时的图片质量。

5 结论

本文设计了基于CMOS传感器和USB2.0接口芯片的虹膜图像采集系统，通过降低的光学系统的发光强度，改变图像传感器OV7725的曝光时间来改善图像质量，现实虹膜图像的实现采集与显示。该设计能有效减少由于光照强度大给被采集者带来的眼部不适感，能够为虹膜诊断提供满足各项要求的图像，且具有无刺激，抗干扰性强，体积小，价格低廉的特点。

[1]王龄.观虹膜知健康[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2010.

[2]吉林大学.虹膜图像采集装置:中国,发明专利，02274108.9，2002-7-9.

[3]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2003:136-139.

[4]胡宗星.虹膜采集关键问题的研究与实践[D].长春：吉林大学，2011.